JP2002249381A

JP2002249381A - 加熱体保護管

Info

Publication number: JP2002249381A
Application number: JP2001043715A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Hamayoshi; 繁幸濱吉
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2002-09-06

Abstract

(57)【要約】【課題】耐溶損性を十分に確保するとともに、高出力
化およびエネルギーの省力化を達成できる、かつ曲げ強
度に優れる溶湯用の加熱体保護管を提供する。【解決手段】窒化ケイ素を主成分する窒化ケイ素質焼
結体からなり、窒化ケイ素質焼結体の常温における熱伝
導率が７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、４点曲げ強度が６００
ＭＰａ以上であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウムなど
の溶湯を加熱する加熱体の保護管に係り、特に高い熱伝
導率と強度を有する窒化ケイ素質焼結体からなる加熱体
保護管に関する。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウムなど非鉄金属の溶解炉に
は、材料を溶融させるために、内部に電気ヒーターやガ
スバーナーなどの加熱体を備えた加熱体保護管が用いら
れている。従来の金属製の加熱体保護管として、鋳鉄製
や鋳鉄の表面にセラミックス系粉末をコーティングした
保護管がある。しかしながら、前者は溶損しやすく、溶
湯を汚染して溶湯の品質を低下させる欠点がある。ま
た、後者は耐溶損性が向上するものの、コーティング層
の密着力が乏しいため剥離しやすく、頻繁にコーティン
グし直すことが必要でありメンテナンスの点で問題があ
る。

【０００３】また、セラミックス製の加熱体保護管とし
て、反応焼結法により製造された窒化ケイ素焼結体から
なる保護管がある。この種の保護管は耐溶損性、耐熱衝
撃性に優れているうえ、反応焼結時の収縮が殆どなく寸
法精度が高く得られるという利点がある。しかしなが
ら、ケイ素を完全に窒化して得た製品でも、約２０％の
気孔率をもつ比較的低密度の焼結体であるため、曲げ強
度が３００ＭＰａ程度しかなく、使用中の機械的応力お
よび衝撃に耐えるには不十分という問題がある。また、
低密度なので焼結体の表面が粗く、溶湯が付着しやすい
問題もある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のセラミックス製
の加熱体保護管を溶湯中に浸漬させて製品の製造を行う
場合、溶湯温度を維持することが十分といえず、電気ヒ
ーターやガスバーナーの出力を上げたり、それらの本数
を増やすなどの措置をたびたび必要とし、加熱エネルギ
ーを無駄に消費しやすい問題がある。したがって、本発
明は耐溶損性を十分に確保するとともに、高出力化およ
びエネルギーの省力化を達成できる、かつ曲げ強度に優
れる溶湯用の加熱体保護管を提供することを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の溶湯用加熱体保
護管は、窒化ケイ素を主成分する窒化ケイ素質焼結体か
らなり、窒化ケイ素質焼結体の常温における熱伝導率が
７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。本発
明において、窒化ケイ素質焼結体の常温における４点曲
げ強度が６００ＭＰａ以上であることを特徴とする。窒
化ケイ素質焼結体中のアルミニウムの含有量が０．２重
量％以下であることが好ましい。また、窒化ケイ素質焼
結体中の酸素の含有量が３．０重量％以下であることが
好ましい。

【０００６】

【作用】本発明は加熱体保護管を形成する材料自体の熱
伝導率を高めることにより、保護管内部に設けた加熱体
が発生する熱を迅速にかつ効率よく保護管の表面を経て
溶湯へ伝達させることができる。通常の窒化ケイ素質焼
結体は、常温における熱伝導率が高々１５Ｗ／（ｍ・
Ｋ）程度であるが、本発明の窒化ケイ素質焼結体は、焼
結体中に不純物として存在するアルミニウムおよび酸素
の含有量を低減することにより、７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以
上の熱伝導率を得ることができる。

【０００７】窒化ケイ素質焼結体中に不純物として存在
する異種イオン、特にアルミニウム、酸素はフォノン散
乱源となり熱伝導率を低減させる。窒化ケイ素質焼結体
は、窒化ケイ素粒子相とその周囲の粒界相とから構成さ
れ、アルミニウムおよび酸素はこれら二相にそれぞれ含
有される。アルミニウムは、窒化ケイ素の構成元素であ
るケイ素のイオン半径に近いため窒化ケイ素粒子内に容
易に固溶する。アルミニウムの固溶により窒化ケイ素粒
子自身の熱伝導率が低下し、結果として焼結体の熱伝導
率が著しく低下する。

【０００８】また、焼結助剤として主に酸化物を添加す
るため、酸素の多くは粒界相成分として存在する。焼結
体の高熱伝導化を達成するには、主相の窒化ケイ素粒子
に比べて熱伝導率が低い粒界相の量を低減することが肝
要であり、焼結助剤成分の添加量を相対密度８５％以上
の焼結体が得られる量を最小限とし、酸素量を低減させ
ることが必要である。

【０００９】また、窒化ケイ素質焼結体中の窒化ケイ素
粒子の性状を最適化することにより、使用中の機械的応
力および衝撃に十分に耐えられる曲げ強度を得ることが
できる。窒化ケイ素質焼結体中のβ型窒化ケイ素粒子の
うち、短軸径５μｍ以上のβ型窒化ケイ素粒子の割合
が、１０体積％以上では焼結体の熱伝導率は向上する
が、組織中に導入された粗大粒子が破壊の起点として作
用するため破壊強度が著しく低下し、６００ＭＰａ以上
の曲げ強度が得られない。したがって、窒化ケイ素質焼
結体中のβ型窒化ケイ素粒子のうち、短軸径５μｍ以上
のβ型窒化ケイ素粒子の割合が１０体積％未満であるこ
とが好ましい。同様に、組織中に導入された粗大粒子が
破壊の起点として作用することを抑えるために、β型窒
化ケイ素粒子のアスペクト比が１５以下であることが好
ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は本発明実施例の加熱体保護
管の概略縦断面図である。図１において、加熱体保護管
１は窒化ケイ素質焼結体からなる。加熱体保護管１は中
空円筒形状であり、その下端部が半球状に閉塞されてお
り、上部は開口し取付けのためのフランジ部２を設けて
いる。保護管１の寸法は例えば全長５５０ｍｍ、内径６
２ｍｍ、外径８２ｍｍ、フランジ部２の外径１０６ｍｍ
である。保護管１内部の空間に電気ヒーターやガスバー
ナーなどの加熱体（図示せず）を入れる。そして、アル
ミニウムなどの溶湯中に保護管１を浸漬し、加熱体の発
熱によりその熱を保護管１の表面を経て溶湯へ伝え、溶
湯を所定の温度に維持する。

【００１１】次に加熱体保護管１の製造方法について説
明する。平均粒径０．５μｍの窒化ケイ素粉末に、焼結
助剤として、平均粒径０．２μｍの酸化マグネシウム粉
末を２．８体積％、平均粒径０．２μｍの酸化アルミニ
ウム粉末を０．０８体積％、平均粒径２．０μｍの酸化
イットリウム粉末を０．４体積％添加し、適量の分散剤
を加えエタノール中で粉砕、混合した。ついで、真空乾
燥後、篩を通して造粒した後、ゴム型に充填し、静水圧
により冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）を行い、加熱体保護
管となる管状の成形体を作製した。この成形体を１７５
０℃、９気圧の窒素ガス雰囲気中で５時間焼成し、本発
明の窒化ケイ素質焼結体を得た。

【００１２】得られた窒化ケイ素質焼結体から、直径１
０ｍｍ×厚さ３ｍｍの熱伝導率および密度測定用の試験
片、縦３ｍｍ×横４ｍｍ×長さ４０ｍｍの４点曲げ試験
片を採取した。密度はマイクロメ−タによる寸法測定と
重量測定の結果から求めた。熱伝導率はレーザーフラッ
シュ法により常温での比熱および熱拡散率を測定し熱伝
導率を算出した。４点曲げ強度は常温にてＪＩＳＲ１
６０６に準拠して測定を行った。また、窒化ケイ素粒子
の体積％は、焼結体をフッ化水素酸にて粒界ガラス相を
溶出することにより、窒化ケイ素粒子を個々に取り出し
ＳＥＭ観察して求めた。本発明では、面積％の値を体積
％として評価した。窒化ケイ素質焼結体中のアルミニウ
ム含有量は誘導プラズマ発光分析法（略称ＩＣＰ法）に
より、酸素含有量は赤外線吸収法により測定した。

【００１３】本発明の窒化ケイ素質焼結体からなる加熱
体保護管１は、密度が９９．２％、常温における熱伝導
率が８５Ｗ／（ｍ・Ｋ）、常温における４点曲げ強度が
７２０ＭＰａであった。また、窒化ケイ素質焼結体中の
アルミニウムの含有量が０．０１重量％、酸素の含有量
が０．０１重量％、窒化ケイ素質焼結体中のβ型窒化ケ
イ素粒子のうち短軸径が５μｍ以上のβ型窒化ケイ素粒
子の割合が２体積％であった。

【００１４】また、本発明の窒化ケイ素質焼結体および
比較例のサイアロン焼結体から、直径６０ｍｍ×長さ２
５ｍｍの試験片を採取し、各試験片を８００℃に加熱し
た状態から０℃の水中に沈降させる水中急冷試験を行っ
た。その結果、サイアロン焼結体の急冷面には亀甲羅状
にき裂が発生したが、窒化ケイ素質焼結体の急冷面には
き裂は見られず、耐熱衝撃性に優れることを確認でき
た。

【００１５】図２は本発明の窒化ケイ素質焼結体の熱応
答性試験に用いた管状体を示す。図２に示すように、本
発明の窒化ケイ素質焼結体からなる肉厚４ｍｍの管状体
７を作製した。管状体７は内径１８ｍｍ、外径２６ｍ
ｍ、長さ４５０ｍｍで片方の先端部が半球状に閉塞され
た形状である。この管状体７の中に、Ｋタイプの熱電対
８を挿入し、熱電対８の先端が管状体７の底面に当接す
るように支持体９により支持した。

【００１６】そして、溶湯温度６２０℃、重量約３ｋｇ
の純アルミニウムの溶湯中に管状体７の閉塞された先端
部側を浸漬させて、熱電対８により溶湯の温度を測定し
た。図３は測温開始からの経過時間（秒）と温度（℃）
の結果を示す。本発明材では測温開始から約６０秒後に
２００℃、約１５０秒後に５００℃、約３９０秒後に６
２０℃になった。比較例のサイアロンを用いて管状体を
作製し同様の熱応答性試験を行ったところ、測温開始か
ら約６５秒後に２００℃、約１６０秒後に５００℃、約
４２０秒後に６２０℃になった。よって、本発明の窒化
ケイ素質焼結体はサイアロン焼結体に比べ、溶湯の熱が
管状体の表面を経て管状体内部の熱電対にまで速く到達
できた。本発明の窒化ケイ素質焼結体からなる保護管
は、この熱応答性試験の熱電対による測温において常温
から２００℃に到達するまでの温度感知の最大傾き、す
なわち熱応答性を表わす最大感知速度が３℃／秒以上で
あることが好ましい。

【００１７】本発明の加熱体保護管を６８０℃のアルミ
ニウム溶湯に浸漬し溶湯加熱に供したところ、アルミニ
ウム溶湯による侵食は殆どみられず、使用中の衝撃荷重
や熱衝撃による破損、き裂を生じなかった。また、従来
の窒化ケイ素製およびサイアロン製加熱体保護管に比
べ、溶湯への加熱効率が向上した。

【００１８】

【発明の効果】本発明の加熱体保護管は熱伝導率が高い
ため、保護管内部に設けた加熱体が発生する熱を迅速に
かつ効率よく保護管の表面を経て溶湯へ伝達させること
ができるので、加熱エネルギーの高出力化が可能とな
る。また、加熱エネルギーのロスを抑え省エネルギーに
寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の加熱体保護管の概略縦断面図を
示す。

【図２】熱応答性試験に用いた管状体の概略断面図を示
す。

【図３】熱応答性試験の測温開始からの経過時間と温度
の結果を示す。

【符号の説明】

１加熱体保護管、２フランジ部、７管状体、
８熱電対、９支持体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化ケイ素を主成分する窒化ケイ素質焼
結体からなる溶湯用加熱体保護管であって、窒化ケイ素
質焼結体の常温における熱伝導率が７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）
以上であることを特徴とする加熱体保護管。
【請求項２】窒化ケイ素質焼結体の常温における４点
曲げ強度が６００ＭＰａ以上であることを特徴とする請
求項１に記載の加熱体保護管。
【請求項３】窒化ケイ素質焼結体中のアルミニウムの
含有量が０．２重量％以下であることを特徴とする請求
項１または２に記載の加熱体保護管。
【請求項４】窒化ケイ素質焼結体中の酸素の含有量が
３．０重量％以下であることを特徴とする請求項１〜３
のいずれかに記載の加熱体保護管。
【請求項５】前記窒化ケイ素質焼結体からなる肉厚４
ｍｍ以上の管状体に熱電対を挿入し、熱電対の先端を管
状体の底面に当接させて、この管状体を溶湯に浸漬させ
て熱電対による測温したとき常温から２００℃に到達す
るまでの温度感知の最大傾きが３℃／秒以上であること
を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の加熱体保
護管。